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高速切削刀具技術是實現高 速加工的關鍵技術之一，而刀具材料的高溫性能是影響高速切削刀具技術發展的重中之重。由於在高速切削加工中所產生的切削 熱對刀具的磨損比常規切削高得多，因此對刀具材料有更高的要求︰高硬度、高強度和耐磨性；高的韌性和抗衝擊能力；高的紅硬性和化學穩定性；抗熱衝擊能力。
刀具表面涂層技術是應市場需求而發展起來的一種表面改性技術，自上世紀60?Dr.eye: 年代出現以來，該項技術在金屬切削刀具製造業內得到了極為廣泛的應 用。尤其是高速切削加工技術出現之後，涂層技術更是得到了迅猛的發展與應用，並成為高速切削刀具製造的關鍵技術之一。該項技術透過化學或物理的方法在刀具 表面形成某種薄膜，使切削刀具獲得優良的綜合切削性能，從而滿足高速切削加工的要求。歸納起來切削刀具表面涂層技術具有以下特點︰
（1）採用涂層技術可在不降低刀具強度的條件下，大幅度地提升刀具表面硬度，目前所能達到的硬度已接近100GPa；?
2）隨著涂層技術的飛速發展，薄膜的化學穩定性及高溫抗氧化性更加突出，從而使高速切削加工成為可能；
（3）潤滑薄膜具有良好的固相潤滑性能，可有效地改善加工質量，也適合於干式切削加工；
（4）涂層技術作為刀具製造的最終工序，對刀具精度幾乎沒有影響，並可進行重複涂層工藝。
涂層切削刀具所帶來的益處︰可大幅度提升切削刀具壽命；有效地提升切削加工效率；明顯提升被加工工件的表面質量；有效地減少刀具材料的消耗，降低加工成本；減少冷卻液的使用，降低成本，利於環境保護。
2．刀具涂層的分類
眾所周知，道統刀具涂層技術主要可分為兩大類，但由於市場需求的變化及涂層技術本身的特性，物理涂層技術的發展受到了更大的關 注。PVD技術在得到飛躍性發展的同時，其應用市場也得到了廣泛的拓展。與最初發展相比，不僅涂層成分種類繁多，近幾年來在涂層架構上更是有了突破性的發 展，並已為市場所接受。隨著PVD技術在市場中愈來愈廣泛的應用，認識了解各類涂層的特性及適用領域愈加顯得重要。 因此本文擬對當前PVD涂層進行分類， 並分析各類薄膜所適用領域，目的是讓使用者對各類涂層有一個較系統的了解，更加合理地使用涂層刀具。
從PVD技術的發展和應用角度，筆者認為PVD涂層可按2種方法進行分類。
按涂層成分分類
按涂層成分對涂層進行分類簡潔、明了，基於對材料性能的認識，使用者容易了解涂層的功能，易為市場所接受，因此目前各涂層企業更多的是以不同的涂 層成分向用戶介紹、推薦其技術及產品。按成分對涂層區分通常可分為兩大類，即硬涂層和軟涂層。 硬涂層以TiN、iCN、TiAlN等為代表，包括了單層薄 膜和複合薄膜，隨著市場需求的變化及涂層技術的發展，新的涂層成分不斷被開發出來，到目前為止所應用的硬涂層成分已有幾十種之多；軟涂層顧名思義薄膜的硬 度相對較低，通常為1000HV左右。軟涂層目前種類並不多，以MoS2、碳基薄膜為主，在切削加工領域內，其目的是透過在硬涂層表面覆蓋一層這種薄膜， 試圖增加涂層表面的潤滑性，改善被加工工件表面質量，以滿足某些應用領域的需要。
按涂層架構分類
儘管按成分進行涂層分類具有良 好的市場基礎，但從PVD技術的發展來看，涂層的內部架構的變化已越來越多地影響著涂層刀具的應用效果。相同的涂層 成分、不同的架構形式，可以導致涂層刀具使用效果的截然不同。因此認識了解目前PVD涂層薄膜的架構形式，對於該項技術的實際應用有著十分重要的意義。就 目前PVD技術的發展狀況，涂層薄膜架構大體可分類如下︰（1）單一層涂層
涂層由某一種化合物或固溶體薄膜構成，理論上講在薄膜的縱向生長方向上 涂層成分是恆定的，這種架構的涂層可稱之為普通涂層。如果聯繫到PVD的發 展歷程，實際上在過去相當長的時期內一直採用這種技術，其中包含眾所周知TiN、TiCN、TiAlN等。隨著應用市場要求的不斷提升，人們也愈加認識到 這種涂層的局限性，無論是顯微硬度、高溫性能、薄膜韌性等都難於大幅度提升，但這種涂層在市場中仍佔有一定比例。
複合涂層
由多種不同功能（特性）薄膜組成的架構可以稱之為複合涂層架構膜，其典型涂層為目前的硬涂層+軟涂層，每層薄膜各具不同的特徵，從而使涂層更具良好的綜合性能。
（3）梯度涂層涂層成分沿薄膜縱向生長方向逐步發生變化，這種變化可以是化合物各元素比例的變化，如TiAl-CN中Ti、Al含量的變化，也可以由一種 化合物 逐漸過渡到另一種化合物，如由CrN逐漸過渡到CBC。可以預見這種架構能有效降低因成分突變而造成的內部微視應力的增加。
（4）多層涂層多層涂層由多種性能各異的薄膜疊加而成，每層膜化學組分基本恆定。 目前在實際應用中多由2種不同薄膜組成，由於所採用的工藝存在差異，不同企業的多層涂層刀具，其各膜層的尺寸也不盡相同，通常由十幾層薄膜組成，每層薄膜 尺寸大於幾十納米，最具代表性的有AlN+TiN、TiAlN+TiN涂層等。與單層涂層相比，多層涂層可有效地改善涂層組織狀況，抑制粗大晶粒組織的生 長。
（5）納米多層涂層
????Dr.eye: 這種架構的涂層與多層涂層類似，只是各層薄膜的尺寸為納米數量級，又可稱為超顯微架構。理論研究證實，在納米調製週期內（幾納米至幾十納米），與 道統的單層膜或普通多層膜相比，此類薄膜具有超硬度、超模量效應，其顯微硬度超過40GPa是可以預期的，並且在相當高的溫度下，薄膜仍可保留非常高的硬 度。 因此這類膜具有良好的市場應用前景，其典型代表為AlN+TiN、AlN+TiN+CrN涂層等。
Dr.eye: 如AlN+TiN+CrN納米膜系，其調製週期λ約 為7nm。
（6）納米複合架構涂層
????Dr.eye: 以（nc-Ti1-xAlxN）/（α-Si3N4）納米複合相架構薄膜為例，在強等離子體作用下，納米TiAlN晶體被鑲嵌在非晶態的 Si3N4體內，當TiAlN晶體尺寸小於10nm時，位錯增殖源難於啟動，而非晶態相又可阻止晶體位錯的遷移，即使在較高的應力下，位錯也不能穿越非晶 態晶界。這種架構薄膜的硬度可以達到50GPa以上，並可保持相當優異的韌性，且當溫度達到900℃～1100℃時，其顯微硬度仍可保持在30GPa以 上；此外這種薄膜同時可獲得優異的表面質量，因此工業應用前景廣闊。
3．涂層的應用
隨著PVD技術的迅速發展，在實際應用中涂層的合理選擇愈加顯得重要。 目前涂層薄膜不僅要解決硬度問題，其韌性、抗氧化性、表 面粗糙度及潤滑性等都需要根據不同的切削條件進行綜合考慮。從實際的切削加工狀況來看，僅憑涂層成分進行選擇，在實際應用中已難以獲取最佳經濟效益。本文 依據上述兩種涂層分類，淺析實際切削加工中PVD涂層薄膜的選用。
車削加工車削加工的特點是連續、穩定、切削力及切削溫度變化小，相對而言切削溫度較高，因此在選擇涂層類別時，涂層的硬度和高溫抗氧化性是重點考慮原素。
（1）加工鋼材時可選用納米複合架構薄膜（ncTi1-x?Dr.eye: AlxN）/（α-Si3N4）及AlTiN薄膜，這兩種薄膜都具有極高的表面硬度，且紅硬性良好，使用溫度可達到1100℃。
（2）鑄鐵加工通常也可選擇上述2種薄膜。
（3）鋁及鋁合金加工的特點是熔點低，在切削加工中極易形成積屑瘤，且氧化了的切屑可形成Al2O3，導致摩擦作用的增強。 當矽含量在4% ～13%之間時，矽在鋁內形成固溶體+共晶體組織，這種脆性、針狀的片狀矽的夾雜，在切削過程中，具有磨料作用，導致刀具早期失效；而當Si含量進一步提 高時，粗大的組織使切削性能進一步下降。如果採用干式切削，可加劇這種磨損的發展，加工這類有色金屬金剛石涂層刀具是最佳的選擇方案之一，但考慮到可行性 及經濟性，對於PVD而言，涂層應具有高的硬度及優異的潤滑性。當Si含量小於12%時，可選擇多層TiCN+MoS2複合薄膜及TiAlCN+CBC梯 度薄膜；而當Si含量大於12%時，則可選用納米複合架構薄膜（nc-Ti1-x?Dr.eye: AlxN）/（α-Si3N4）或單層的TiCN薄膜。
（4）高強度合金的加工具有變形大、加工硬化大、切削溫度高的特點，此外由於該類合金中含有大量的碳化物、氮化物等，其顯微硬度可達 2000～3000HV。 在選擇用於此類涂層時，其顯微硬度、高溫性能、潤滑性是應著重考慮的原素。通常可選用納米複合架構薄膜（nc-Ti1- xAlxN）/（α-Si3N4）或TiAl-CN+CBC複合薄膜。
（5）對於銅及其合金而言，涂層極具針對性，而與加工模式關聯性較低。 紫銅塑性、韌性大，易粘屑，因此需要有效地解決排屑問題，一般選用CrN膜；而對於銅合金（黃銅、青銅），由於材料強度的提升，通常採用單層TiCN或多層TiCN薄膜。
（6）塑膠材料的加工特性是導熱性差、磨料性、回彈性等，且大多採用干式切削加工模式，因此薄膜的顯微硬度及熱絕緣性是重點考慮的原素，除了CVD的金剛石薄膜外，也可選用多層TiCN薄膜。
鑽削加工
鑽削加工也屬於連續加工切削模式，其涂層種類的選擇基本與車削加工類似。但所需注意的是通孔加工存在載荷的突變，因此所選擇薄膜應具有良好的韌性。 如在普通鋼材的加工中，可選用多層膜；若在一般的切削條件下，單層的TiN薄膜也會獲得良好的應用效果。
銑削加工
????Dr.eye: 在高速加工領域，銑削加工佔有極其重要的地位，而PVD技術的發展也從整體銑刀的涂層擴展到可轉位刀片範圍，並且已取得了突破性的進展。銑削加工是一種斷 續加工模式，尤其在高速加工條件下，刀具受載狀態極其複雜，刀具因不斷受到大小、位置不同的機械衝擊和熱衝擊載荷作用，可引發薄膜的破裂、脫落等現象的發 生，從而導致刀具的早期失效。
（1）加工普通鋼材時可選用TiCN、納米複合架構薄膜（nc-Ti1-x?Dr.eye: AlxN）/（α-Si3N4）、AlCrN薄膜，這三種薄膜都具有較好的韌性。
（2）與普通鋼材相比，鑄鐵的銑削加工通常導致刀具磨料磨損，涂層刀具的表面硬度更為重要，因此可選擇納米複合架構薄膜（nc-Ti1-xAlxN）/（α-Si3N4）、AlTiN、AlCrN薄膜。
（3）對於鋁及鋁合金的加工，當Si含量小於12%時，可選擇多層TiCN+MoS2複合薄膜及TiAlCN+CBC梯度薄膜；而當Si含量大於12%時，則可選用納米複合架構薄膜（nc-Ti1-xAlxN）/（α-Si3N4）及多層TiCN薄膜。
（4）高強度合金的銑削加工通常可選用多層TiCN+MoS2、梯度TiAlCN+CBC、AlCrN薄膜。
螺紋加工
螺紋加工也一種連續切削模式，相對於普通車削加工，這種加工屬於成型加工模式，切削速度相對較低，不易斷屑，且對刀具的幾何尺寸有嚴格要求，刀具刃口微小的缺陷也可導致工件的報廢。 因此薄膜的致密性、韌性以及表面的潤滑性是首要考慮的原素。
（1）加工普通鋼和高強度合金時可選用TiCN+MoS2複合薄膜、
TiAlCN+CBC梯度薄膜及TiAlN納米多層薄膜，這三種薄膜都具有良好的韌性及優異的潤滑性。
（2）與普通鋼材相比，鑄鐵的螺紋加工通常以磨料磨損為主，薄膜的致密性、韌性、硬度同等重要，因此常可選擇TiAlCN及TiCN多層薄膜。
（3）對於鋁及鋁合金的加工，當Si含量小於12%時，可選擇CrN+CBC及TiCN多層薄膜；而當Si含量大於12%時，則可選擇TiAlCN+CBC及TiCN多層薄膜。
4．結語
近年來，刀具表面涂層技術發展的特點是迅速及多元化。經過幾年的歷程，TiN涂層一統天下的情況已不複存在，尤其在硬質合金刀具應 用領域，TiAlN涂層的比例已超過TiN，而其它種類涂層也有增加趨勢。顯然薄膜技術的發展不斷地為切削加工提供更有效、更經濟的手段，隨著該項技術的 飛速發展，各類超顯微架構、超硬度、特殊功能薄膜的出現必將促進切削加工方案的進一步優化。對於使用者而言，充分了解各類涂層及其所適用的應用範圍愈加顯 得重要。由於篇幅所限，本文僅針對各類涂層所適合的加工模式及材料進行了論述，而實際應用中特殊材料（如硬度達到50HRC以上）、切削速度、冷卻模式等 條件的不同，對涂層刀具的選用也都會產生重要的影響。

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